L'argon représente 1% de l'air :
pourquoi est-il resté introuvable pendant plus de 100 ans ? ― Un écart de poids de seulement 0,5% dans l'azote
L'argon est un gaz qui ne se lie à rien. Il échappait donc totalement aux tests chimiques. Ce qui a permis de le découvrir, c'est un tout petit écart de poids, environ un deux-centième, dans ce qui aurait dû être de l'azote pur.
À l'école, on apprend que « l'air, c'est environ 80% d'azote et 20% d'oxygène ». En les additionnant, on arrive presque à 100%. On a alors l'impression que c'est tout.
Pourtant, le dioxyde de carbone dont on entend tant parler dans l'actualité ne représente que 0,04% de l'air environ. Alors, que contient le 1% restant ? La réponse est un gaz appelé argon. Il y en a plus de vingt fois plus que de dioxyde de carbone dans la respiration que vous êtes en train de faire.
Malgré une telle abondance, il n'a été découvert qu'en 1894. Or l'étude de l'air était déjà florissante plus de 100 ans auparavant. Pourquoi personne ne s'en était-il aperçu ?
Seulement deux raisons expliquent qu'il soit resté invisible
À l'époque, on identifiait les gaz en les faisant « réagir avec d'autres substances pour voir ce qui se forme ». L'argon ne brûle pas et ne se combine à rien. Il passait tout simplement à travers les mailles du filet chimique.
Une fois l'oxygène et l'humidité retirés de l'air, on appelait « azote » ce qui restait. L'argon, lui, demeurait mélangé dedans à hauteur d'environ 1%. Le seul indice permettant de le distinguer était une infime différence de poids.
C'est une mesure de poids d'une minutie presque obsessionnelle, menée par le physicien britannique Lord Rayleigh, qui a permis de surmonter ces deux obstacles. Voyons cela dans l'ordre.
Pourquoi les tests chimiques passaient-ils à côté de l'argon ?
Du XVIIIe au XIXe siècle, les chimistes identifiaient les gaz par « ce avec quoi ils réagissent ». L'oxygène fait brûler les choses. Le dioxyde de carbone trouble l'eau de chaux. La façon dont un gaz réagit était sa carte d'identité.
L'argon n'a pas cette carte d'identité. C'est parce que la couche électronique la plus externe de son atome est exactement complète. Il n'a besoin d'échanger des électrons avec aucun autre atome et ne forme quasiment aucun composé. Du point de vue des tests par réaction, l'argon revenait à « ne pas exister du tout ».
En réalité, un indice existait bien plus tôt. En 1785, le Britannique Cavendish fit passer des étincelles électriques dans l'azote de l'air pour le faire réagir avec de l'oxygène et l'éliminer. Il restait invariablement, à la fin, une petite bulle de gaz, dont le volume était, selon ses notes, inférieur à un cent-vingtième du volume initial. Mais l'identité de cette bulle est restée un mystère pendant plus de 100 ans.
Pourquoi la pesée a-t-elle permis la découverte ?
Vers 1890, Lord Rayleigh menait des recherches visant à peser les gaz avec le plus de précision possible. Il prépara alors de l'azote de deux façons différentes. La première consistait à retirer de l'air l'oxygène, l'humidité et d'autres composants. La seconde consistait à décomposer des composés comme l'ammoniac.
Dans les deux cas, il aurait dû obtenir de l'azote pur. Pourtant, à volume égal, l'azote tiré de l'air était toujours environ 0,5% plus lourd (figure 1, à gauche). Cet écart persistait, quelle que soit la méthode de pesée ou le composé utilisé.
Un écart d'un deux-centième aurait pu être mis sur le compte d'une erreur de mesure. Lord Rayleigh ne s'y résolut pas et publia en 1892, dans une revue scientifique, un appel : quelqu'un connaît-il la raison de cet écart ? Le chimiste Ramsay lui répondit.
Les deux hommes firent réagir à fond, avec du magnésium chauffé ou des étincelles électriques, l'azote tiré de l'air pour l'éliminer complètement. Il restait inévitablement environ 1% d'un gaz qui refusait obstinément de réagir. En analysant sa lumière, ils obtinrent des raies spectrales différentes de celles de tout élément connu. En 1894, ils annoncèrent la découverte d'un nouvel élément, auquel ils donnèrent un nom signifiant « paresseux » en grec.
La découverte de l'argon révéla qu'une famille entière de « gaz qui ne réagissent pas » manquait au tableau périodique. Ramsay extraisit ensuite l'hélium de minéraux terrestres, puis, en 1898, en faisant évaporer peu à peu de l'air liquéfié, découvrit le néon, le krypton et le xénon. En 1904, Lord Rayleigh reçut le prix Nobel de physique et Ramsay le prix Nobel de chimie.
On pense que la majeure partie de l'argon présent dans l'air provient du potassium radioactif contenu dans les roches, qui s'est transformé très lentement au fil de milliards d'années. Il a suinté depuis l'intérieur de la Terre, notamment via les volcans, et s'est accumulé dans l'atmosphère. Comme il ne réagit avec rien, une fois relâché dans l'air, il y demeure sans disparaître.
En résumé
L'argon a échappé aux tests chimiques pendant plus de 100 ans parce qu'il ne réagit avec rien. C'est une mesure qui n'a pas laissé passer un écart de seulement 0,5% dans le poids de ce qui aurait dû être de l'azote pur qui a permis de le découvrir. Ne pas balayer une petite anomalie d'un revers de « marge d'erreur » a conduit à la découverte de toute une colonne du tableau périodique.
1% de la respiration que vous faites en ce moment est un gaz sans étiquette.
Ce n'est pas une réaction chimique qui l'a trouvé, mais une balance.
Pour un autre exemple où un composant infime de l'air joue un rôle majeur, voir Le dioxyde de carbone ne représente que 0,04% de l'air : pourquoi fait-il varier la température ?. Pour une autre histoire où l'accumulation de preuves a fini par renverser une idée reçue, voir Pourquoi les savants d'autrefois refusaient-ils de croire que des météorites tombaient du ciel ?
- Remplissez d'eau une bouteille de 500 millilitres : c'est le volume d'« une respiration ».
- À l'aide d'une cuillère doseuse, prélevez dans un autre récipient 5 millilitres d'eau (une cuillère à café), soit 1% du total. C'est à peu près la quantité d'argon contenue dans une respiration.
- Ensuite, avec une pipette ou un compte-gouttes, laissez tomber l'eau goutte à goutte pour en prélever environ 0,2 millilitre (quelques gouttes). C'est à peu près la quantité de dioxyde de carbone. Comparez les deux côte à côte.
Une cuillère à café contre quelques gouttes. Les deux paraissent « minuscules », mais l'écart dépasse vingt fois. C'est cette faible quantité qui, simplement parce qu'elle ne réagit avec rien, est restée si longtemps inaperçue. Une goutte d'eau fait environ 0,05 millilitre.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuels scolairesDu collège à l'université, chaque niveau est clairement indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « chimie » du lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon vu au lycée : matière spécialisée universitaire (chimie inorganique, géochimie)
- RecherchePas encore établi même à l'université : sujet activement étudié par les chercheurs aujourd'hui
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Argon : élément de numéro atomique 18. Gaz incolore et inodore représentant environ 0,93% de l'air.
- Gaz nobles (gaz rares) : hélium, néon, argon, krypton, xénon, etc. ― les éléments de la colonne la plus à droite du tableau périodique. Ils ne forment quasiment aucun composé.
- Densité (masse volumique) : le poids pour un volume donné. À température et pression égales, plus les particules d'un gaz sont lourdes, plus sa densité est élevée.
CollègeLycéeVérification par le calcul : 1% d'argon rend-il vraiment le mélange 0,5% plus lourd ?
L'« azote » tiré de l'air contient de l'argon mélangé. À partir de cette proportion, calculons de combien le poids de l'azote augmente, et comparons au résultat mesuré par Lord Rayleigh. Dans le tableau, la masse molaire est un nombre représentant le poids relatif d'une particule ; elle n'a pas d'unité.
| Masse molaire de l'azote | ≈28,0 |
| Masse molaire de l'argon | ≈39,9 |
| Proportion d'azote dans l'air sec | ≈78,1% |
| Proportion d'argon dans l'air sec | ≈0,93% |
| Densité de l'azote tiré de l'air (mesure de Lord Rayleigh) | environ 1,2572 gramme par litre, selon les données |
| Densité de l'azote obtenu d'un composé (idem) | environ 1,2505 gramme par litre, selon les données |
| Proportion du gaz restant considéré comme « azote » (%) | 78,1 ＋ 0,93 ＝ 79,03 |
| Proportion d'argon dans ce mélange | 0,93 ÷ 79,03 ≒ 0,0118 |
| Surplus de poids d'une particule d'argon par rapport à l'azote | 39,9 − 28,0 ＝ 11,9 |
| Augmentation moyenne de poids due au mélange | 11,9 × 0,0118 ≒ 0,14 |
| Proportion d'augmentation par rapport à l'azote | 0,14 ÷ 28,0 ＝ 0,005 |
| Rapport de poids mesuré | 1,2572 ÷ 1,2505 ≒ 1,0054 |
| Rapport argon / dioxyde de carbone | 0,93 ÷ 0,04 ≒ 23 |
| Argon contenu dans une respiration (500 millilitres) | 500 × 0,0093 ≒ 4,7 |
Le calcul donne 0,5%, la mesure environ 0,54% : les deux résultats concordent presque parfaitement. Un mélange de 1% ne se traduit que par un écart de poids de 0,5%. Cette faiblesse même explique en partie le retard de la découverte.
| Symbole / terme | Signification et unité |
| Masse molaire | Poids relatif d'une particule, le carbone étant pris comme référence à 12 (sans unité) |
| % | Proportion en volume (pour un gaz, presque équivalente à la proportion en nombre de particules) |
| Densité | Nombre de grammes par litre (comparé à 0°C et 1 atmosphère) |
LycéeLycée+Pourquoi les gaz nobles ne réagissent-ils pas ?
LycéeUn atome se stabilise lorsque sa couche électronique la plus externe atteint un nombre fixe d'électrons (souvent huit). Le sodium ou le chlore, pour s'en approcher, cèdent ou captent des électrons, d'où leur grande réactivité. L'argon possède dès le départ huit électrons externes au complet : il n'a donc aucune raison d'échanger des électrons avec d'autres atomes.
Lycée+Le fait que la densité d'un gaz soit proportionnelle au poids de ses particules découle de la loi d'Avogadro : « à température, pression et volume égaux, un gaz contient le même nombre de particules, quelle que soit sa nature. » La méthode de Lord Rayleigh revenait, grâce à cette loi, à peser le poids moyen de particules invisibles.
UniversitéOrigine de l'argon et limites du « ne réagit avec rien »
La majeure partie de l'argon atmosphérique est de nombre de masse 40, formé par la désintégration radioactive du potassium 40 contenu dans les roches. À l'échelle de l'univers, l'argon de nombre de masse 36 serait plus abondant, ce qui montre que la composition de l'atmosphère terrestre garde la mémoire de l'histoire interne de la planète. Cette désintégration sert d'ailleurs à dater les roches volcaniques. Cela dit, dire qu'il « ne réagit absolument avec rien » est excessif : depuis la synthèse d'un composé du xénon en 1962, on connaît des composés des gaz nobles les plus lourds. Pour l'argon, seuls quelques composés instables, stables uniquement à très basse température, ont été rapportés.
RechercheCe qui reste encore incertain
- Quelle quantité d'argon est sortie de l'intérieur de la Terre, et quand ? La part relâchée d'un coup juste après la formation de la Terre et celle libérée lentement par la suite font l'objet d'estimations divergentes, selon les modèles de brassage du manteau.
- Pourquoi les gaz nobles des autres planètes diffèrent-ils de ceux de la Terre ? Les proportions de gaz nobles dans l'atmosphère de Vénus ou de Mars diffèrent de celles de la Terre ; elles sont étudiées comme indices de l'histoire d'acquisition et de perte des atmosphères planétaires.
- Peut-on synthétiser des composés stables de l'argon ? Des calculs indiquent la possibilité de liaisons avec d'autres éléments sous très haute pression, mais les confirmations expérimentales restent limitées.
Le contenu de cet article n'est donc lui-même qu'une « explication dans l'état actuel des connaissances ». En particulier, la question de quand et comment l'atmosphère terrestre s'est formée continue d'être révisée, à l'aide des gaz nobles comme indices.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage de cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ― propriétés des gaz, composition de l'air | Proportions d'azote, d'oxygène, d'argon, densité |
| Lycée | Chimie ― tableau périodique et configuration électronique | Pourquoi les gaz nobles ne réagissent pas |
| Lycée+ | Chimie ― lois des gaz | Loi d'Avogadro et comparaison des densités |
| Université | Chimie inorganique / géochimie | Désintégration du potassium 40, composés des gaz nobles |
| Recherche | Sciences planétaires ― dégazage de l'intérieur de la Terre | Origine de l'argon atmosphérique, différences entre planètes |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Composition de l'air que l'on respire, ne pas ignorer les petites anomalies |
- Fondation Nobel ― Prix Nobel de physique 1904 (Lord Rayleigh)
- Fondation Nobel ― Prix Nobel de chimie 1904 (Ramsay)
- Rayleigh, Lord and Ramsay, W. (1895) Argon, a New Constituent of the Atmosphere. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A 186
- Observatoire astronomique national du Japon (国立天文台), éd., « Rika Nenpyō » (理科年表, Annuaire des sciences), composition de l'atmosphère
- Manuel scolaire de lycée « Chimie de base » (化学基礎) ― tableau périodique, configuration électronique, propriétés des gaz
※Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur donnés à titre pédagogique. Les mesures historiques peuvent varier légèrement selon les sources.